常見初中數學題:
圓錐容器高 H 單位。容器內盛水,垂直倒置時水深 h 單位(Fig. 1),把其倒轉平放水平面後(Fig.2),求水深。
利用相似形體積比等於對應邊比之立方,不難得 ,故水深為
單位。
早前同事出題:如果容器是橢圓體,同樣問題如何解決?
具體一點,參考下圖
容器形狀是橢圓 環繞 y-軸轉出來的旋轉體。
容器內盛水,水深 h 單位(Fig. 3)把容器沿 O 轉 90 度(Fig.4)(注:其實是沿 z-軸),求水深。
設 。
則容器內水的體積為
為方便解釋,要把容量放在三維空間考慮。
參考下圖:
(Fig. 5)顯示由 環繞 y-軸轉出來的橢圓體(ellipsoid)。其方程如何?
留意,想像在(Fig. 5)俯視橢圓體的水面(藍色者),它是圓形,其方程必形如 ;
另外,其半徑和水深有關,比如當 ,半徑就可利用橢圓形方程
求得
。
於是,不難推得橢圓體的方程為
(注:若原題目的橢圓形環繞 x-軸轉,轉出的橢圓體方程是 。)
好了,把容量沿 z-軸轉 90 度盛的水,和下圖(Fig. 6)把水推到容量最右位置,體積無異。
亦即垂直面 和橢圓體圍出來的體積(見 Fig. 6)。
而垂直面 和橢圓體相交部分,形狀如何?只要把
代入
便可,得
即是個橢圓。而橢圓面積是長短半軸(semi-major axis and semi-minor axis)長度之乘積再乘以 ,即
故此,(Fig. 6)中的水的體積是
於是
設要求的水深為 單位,即
,上式變為以下頗對稱的關係:
於是,給定 可解出水深
。
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